Moje odkazy

• Nabídka služeb
• Relational pipes
• SQL-Výuka.cz
• SQL-DK
• Nekuřák.cz
• i1984.cz
• Telekomunikační slovník

Ostatní odkazy

• GNU.org
• FSF.org
• Monča.cz

Obsah článku:

• Internet věcí – IoT (Internet of Things)
• LoRa / LoRaWAN
• Alternativy a kritika
• Síť The Things Network
• IoT brána The Things Network
• Klientský modul: ESP32 + LoRa + OLED
• Integrace a směrování zpráv
• Závěr

Většina lidí resp. jejich pracovních stanic, mobilů, dalších osobních zařízení a větších počítačů už je připojena k internetu. Současným trendem (už pár let) je připojování „věcí“ k internetu tzv. IoT. Věcmi jsou buď různá čidla, která posílají naměřené hodnoty do sítě, nebo akční členy, které na základě přijatých zpráv něco dělají, případně kombinovaná zařízení, která přijímají i odesílají zprávy zároveň.

Časem bude možná nějakou formou konektivity vybavené každé zařízení. Může se vám to nelíbit, můžete s tím nesouhlasit, ale… znáte to. Úspěšnou strategií je zajistit, aby použité technologie byly otevřené nikoli proprietární, aby síť patřila nám, abychom to byli my, kdo má vliv na její fungování, abychom dostupnou konektivitu používali tam, kde to má smysl, a v ostatních případech ji mohli vypnout nebo odstranit. V současné době se rozšiřuje IoT síť, která stojí na otevřených principech a na které se může podílet každý z nás.

Internet věcí – IoT (Internet of Things)

Stejně jako mnoho nových technologií a trendů i IoT vybízí k otázce: „Je to moc hezké… ale k čemu mi to bude to užitečné?“ Asi nejklasičtější aplikací jsou různé meteostanice, ale měřit můžete třeba hloubku vody ve studni, výkon solární elektrárny, úroveň nabití baterky v autě (zní to jako blbost, ale pokud auta sbíráte nebo máte třeba autobazar, tak uhlídat nabití všech baterek není triviální a můžete se lehce dostat do situace, že auto, kterým zrovna chcete jet, nejede). Automat na jídlo zase může např. hlásit, které položky v něm docházejí a je potřeba je doplnit. A protože je komunikace obousměrná, můžete na dálku třeba nastavit novou cenu, rozsvítit světlo, zapnout kotel… A pokud rádi cestujete v čase, můžete se podívat někam do 80. let a vyrobit si pager (a.k.a. beeper), který navíc bude umět i odesílat zprávy :-) V Amsterodamu používají tuhle technologii ke sledování hladiny vody v člunech – do lodi totiž může natéct voda nebo napršet a majitel pak ví, kdy už je tam vody moc a musí ji vylít, aby se mu loď nepotopila.

LoRa / LoRaWAN

LoRa je jednou z technologí bezdrátového přenosu používanou v IoT světě. Pracuje na rádiových frekvencích 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Evropa) a 915 MHz (Severní Amerika). Charakteristické vlastnosti:

• minimální spotřeba → velká výdrž na baterii (až roky) nebo provoz na solární panel
• velký dosah, řádově kilometry – až 10 a víc km v otevřeném prostoru
• obousměrná komunikace
• bezpečnost – šifrování zpráv
• krátké zprávy – řádově bajty
• jedna zpráva za několik minut, typicky jednotky zpráv denně
• protokol byl analyzován a je známa implementace pomocí SDR

Limity jsou dané jednak zákonnými regulacemi daného státu a jednak pravidly dané sítě. Pro představu:

• Limitations of LoRaWAN
• Duty Cycle for LoRaWAN Devices

Smyslem těchto omezení je, aby aby jeden uživatel nevytížil celou kapacitu daného pásma a nerušil ostatní.

Alternativy a kritika

Ačkoli je toto oslavný článek o Loře a TTN, neodpustím si i trochu kritický pohled.

Pro propojení různých zařízení to není jediná možnost a nemusí být ani nejvhodnější. V rámci dílny, továrny nebo obecně budovy můžete klidně použít drátovou síť – ať už RS-485 nebo běžný Ethernet. Ostatně IPv6 má tolik adres, aby šlo připojit i každou ledničku, toustovač nebo libovolné čidlo a komunikovat s nimi na IP vrstvě. I tuhle komunikaci zvládne malý jednočip a není nutné kvůli tomu používat hned počítač jako Raspberry Pi nebo ještě něco většího. Bezdrátově můžete komunikovat i přes WiFi (typicky přes moduly ESP32/ESP8266 a opět na to stačí jednočip nebo to naprogramujete celé v tom ESP), bluetooth, ASK/OOK na 433 Mhz, ultrazvuk, světlo…. A ani u jedné z těchto metod přitom nejste závislí na nějakém cloudu – takže když vám vypadne spojení ven do internetu, vše bude fungovat vesele dál.

Pro komunikaci ve městě (i jinde) můžete zase použít GSM (nebo modernější mobilní síť) + předplacenou kartu od nějakého MVNO, který účtuje data po 1 kB.

Na mnoha místech máte 230 V nebo aspoň velkou baterku, takže vás nemusí moc trápit spotřeba a často máte k dispozici i připojení na internet. Nicméně i na takových místech se hodí mít záložní komunikační kanál pro případ výpadku (akorát nesmíte být v širém okolí jediný provozovatel IoT brány, protože pak vám vypadne i ta a zbude vám už leda tak radioamatérské packet radio nebo morseovka, abyste někam poslali zprávu).

Přesto si myslím, že budování komunitní IoT sítě má smysl a kdyby nic jiného: další komunikační kanál se vždycky hodí. Ostatně, jak praví stará dobrá poučka: bez spojení není velení. LoRa najde využití hlavně v odlehlejších oblastech, tam, kde nechceme nebo nemůžeme natahat kabely nebo kde nemáme dostatek elektřiny.

Síť The Things Network

Historická vsuvka: ADSL se u nás reálně objevilo v roce 2003 a bylo ukrutně drahé. V roce 2001 – v dobách, kdy se většina z nás připojovala k internetu (pokud vůbec) stále ještě vytáčenou linkou za strašlivého pištění/chrochtání 56 kbps modemů – navázal Zdeněk Deu Janda první spoj sítě CZFree.Net. Sítě, která je založená na tom, že si lidé nakoupí vybavení a sami vybudují síť, propojí panelák s panelákem, dům s domem a postupně dotáhnou konektivitu z centra až do poměrně odlehlých oblastí. Síť patří nám, děláme to pro sebe a pro ostatní členy komunity. CZFree.Net (CZF), kterou tehdy rozjel Zdeněk Janda a David Čermák, funguje dodnes a už to nejsou jen WiFi spoje (v počátcích antény podomácku vyrobené z plechovek), ale často gigabitové drátové sítě (viz třeba Jablonka na pražském Proseku), optické kabely nebo bezdrátová pojítka v licencovaných pásmech. Svého času byly dost populární i optické spoje Ronja. V současnosti je to většinou WiFi na 5 GHz.

Dnes vzniká něco podobného – ovšem nikoli pro připojení lidí k internetu (ti už připojeni jsou), ale pro připojení věcí k internetu (IoT). V roce 2015 začali Wienke Giezeman a Johan Stokking v Holandsku budovat síť The Things Network (TTN). Na crowdfundingovém portálu Kickstarter rozjeli kampaň, ve které si lidé nakoupili IoT brány, koncová zařízení nebo jen přispěli penězi a tím podpořili vznik této sítě. I když to jednu dobu vypadalo dost bledě (pro mne to byla první účast v takové kampani, tak jsem z toho byl trochu nervózní) a výroba bran se kvůli různým problémům opakovaně odkládala, nakonec vše dobře dopadlo a i moje brána byla letos doručena a před pár dny jsem ji připojil do sítě.

Základní myšlenky a principy této sítě jsou definované v jejím manifestu:

The Things Network Manifesto

Everything that carries power will be connected to Internet eventually.

Controlling the network that makes this possible means controlling the world. We believe that this power should not be restricted to a few people, companies or nations. Instead this should be distributed over as many people as possible without the possibility to be taken away by anyone. We therefore founded "The Things Network".

The Things Network is an open source, free initiative with the following properties:

• It connects sensors and actuators, called "Things", with transceivers called "Things Gateways" to servers called "Things Access".
• The first connection is "Over The Air", the second is "Over The Net". The distributed implementation of these concepts is called "The Things Network".
• Anyone shall be free to set up "Things" and connect to "Things Gateways" that may or may not be their own.
• Anyone shall be free to set up "Things Gateways" and connect to "Things Access" that may or may not be their own. Their "Things Gateways" will give access to all "Things" in a net neutral manner, limited by the maximum available capacity alone.
• Anyone shall be free to set up "Things Access" and allow anonymous connections from the Internet. Their "Things Access" will give access to all "Things Gateways" in a net neutral manner, limited by the maximum available capacity alone. Furthermore their "Things Access" will allow connection of other "Things Access" servers for the distribution of data.
• The "Over The Air" and "Over The Net" networks shall be protocol agnostic, as long as these protocols are not proprietary, open source and free of rights.
• Anyone who perpetrates a "Things Access" or a "Things Gateway" will do so free of charge for all connecting devices and servers.
• Anyone making use of the network is allowed to do so for any reason or cause, possibly limited by local law, fully at own risk and realizing that services are provided "as is" and may be terminated for any reason at any moment. The use may be open for anybody, limited to customers, commercial, not-for-profit, or in any other fashion. "The Things Network" providers will not pose restrictions upon its users.

We invite you to sign this Manifesto, and uphold its principles to the best of your abilities.

Stejně jako potřebujeme svobodný software a hardware, potřebujeme i svobodné sítě jako je CZF nebo TTN. A není to jen otázka technologií nebo ceny – je to otázka lidské svobody, rozložení politické a ekononické moci a v konečném důsledku otázka přežití. Není jedno, kdo má moc nad našimi počítači a sítěmi – musíme to být my – občané, uživatelé a vlastníci jednotlivých počítačů a částí sítě.

TTN je dnes celosvětovou IoT sítí s pokrytím aktuálně nejhustším v Evropě:

Praha je z velké části pokryta (moje brána zatím na mapě chybí resp. nemá zmapovaný dosah):

Takto vypadá architektura (zdroj: Network Architecture) sítě TTN:

Koncová zařízení (věci) jsou připojená k branám bezdrátovou technologií LoRa. Brány jsou spojené se servery TTN běžným internetem. Stejně tak po internetu probíhá komunikace aplikačních serverů (což jsou už naše soukromé servery nebo veřejné servery třetích stran) se servery TTN. Pro provoz TTN brány tedy stačí internetová konektivita a trocha elektřiny. Pro provoz aplikačního serveru (který bude např. sbírat data a zobrazovat grafy nebo nabídne nějaký ovládací panel) stačí opět jen internetová konektivita.

IoT brána The Things Network

Brána je zařízení, které potřebujeme k tomu, abychom nějaké území pokryli signálem a rozšířili na něj síť TTN.

Vybalování z krabice:

Brána má přísavky k umístění na vnitřní stranu okna:

Tato brána je tedy pro vnitřní použití. Jiní výrobci dělají samozřejmě i brány pro venkovní použití nebo můžeme bránu od TTN přestavět a umístit do vhodné odolné krabice.

Uvnitř je PIC32 a LoRa modul od Microchipu. Také lze připojit XBee modul nebo GPS přijímač:

Kryt:

Přibližná velikost brány:

K internetu lze bránu připojit jak přes drátový ethernet, tak přes WiFi.

Připojení do sítě

Na krabici nalezneme URL pro aktivaci brány. Řídíme se pokyny na stránce a celý proces zabere tak pět minut i s registrací uživatelského účtu. Aktivace je řešena tak, že brána v danou chvíli funguje jako WiFi AP – my se k ní připojíme přes WiFi a dostaneme od ní IP adresu. Prohlížeč, ve kterém máme otevřenou aktivační stránku, se pak přes lokální IP adresu/doménu spojí s bránou a zajistí výměnu klíčů a spárování s TTN. Pro uživatele je to jen pár kliknutí myší. Pokud bychom chtěli, lze samozřejmě aktivaci a výměnu klíčů provést i ručně. Navíc se k bráně můžeme připojit i přes sériový port a různě se v ní vrtat. Pro běžné použití to ale není nutné.

Klientský modul: ESP32 + LoRa + OLED

K bráně se pomocí technologie LoRa připojují jednotlivá zařízení (věci). Objednal jsem si pár LoRa modulů (stojí cca 150 Kč i s poštovným), které se dají připojit třeba k Arduinu, a pak jeden modul s LoRou, ESP32 a OLED displejem (ten stojí do 500 Kč). Pro začátek se hodí ten kombinovaný modul, protože máme vše na jedné desce, nemusíme nic pájet a mělo by to hned fungovat. Protože ESP32 je v podstatě malý počítač s WiFi, nepotřebujeme už nic dalšího. Stačí připojit nějaké to čidlo nebo akční člen a naprogramovat jak a kdy se mají posílat zprávy do TTN. Na displeji zase můžeme zobrazovat přijaté zprávy.

PlatformIO

Pro naprogramování klientského modulu (ESP32) a nahrání firmwaru jsem použit PlatformIO. To je nástroj, který zastřešuje kompilátory a další nástroje pro různé platformy, jako je Arduiono, ESP32, Teensy, STM32, PIC32, RISC-V a další. Poskytuje užitečnou abstrakci a zásadně urychluje začátky s novým hardwarem – pokud vám právě dorazila poštou nějaká součástka a potřebujete si „rozblikat LEDku“ a ověřit, že to funguje, je PlatformIO asi ideální cesta.

Poznámka k bezpečnosti: protože budeme stahovat různé věci z internetu a spouštět je, doporučuji to dělat na vyhrazeném počítači (kde stačí nabootovat nějakou živou distribuci GNU/Linuxu z USB) nebo si alespoň na svém počítači vytvořit nového uživatele pro tyto účely. Nic z toho, co budeme dělat, nevyžaduje právo roota – jediné, co potřebujeme udělat, je přidělit našemu novému uživateli právo na dané USB zařízení – to můžeme udělat buď pravidlem pro udev nebo jednorázově příkazem jako:

chown root:hacker /dev/ttyUSB0

Pod tímto uživatelem si PlatformIO nainstalujeme příkazem:

pip install -U platformio

Další příkazy:

# kompilace:
platformio run

# nahrání firmaru:
platformio run --target upload

# kompilace pro specifickou platformu
# (může jich být podporováno více a nechceme dělat všechny):
platformio run -e esp32dev

# nahrání firmwaru pro specifickou platformu:
platformio run -e esp32dev --target upload

# spuštění webového rozhraní <http://127.0.0.1:8008/>:
platformio home

# připojení na sériový port:
platformio device monitor --baud 115200

Základem PlatformIO jsou nástroje pro příkazovou řádku – díky tomu lze vyvíjet v libovolném IDE nebo editoru a nepotřebujeme k tomu ani GUI, takže můžeme pracovat třeba i na vzdáleném Raspberry Pi nebo serveru přes SSH. Kromě toho mají i svoje IDE, ale to jsem nezkoušel.

Nejsem úplně nadšený z nástrojů, které fungují takto magicky a samy stahují další věci z internetu (podporu pro jednotlivé platformy, knihovny…), ale pro první kroky s novým hardwarem je to dobrá cesta a výrazně snižuje riziko, že daná součástka zůstane ležet nevyužita v šuplíku. Pro seriózní vývoj to chce do toho trochu víc proniknout, ověřit, že systém není náchylný na MITM útok, že se použitým komponentám dá věřit, případně použít jinou sadu nástrojů pro konkrétní platformu.

Připojení do sítě

Pro prvotní vyzkoušení jsem použil příklad TTN_TTGOLora32 stažený z TTGO_LoRa32:

git clone https://gitlab.com/src-backup.globalcode.info/TTGO_LoRa32.git

Podle názvu je sice určený pro desky od TTGO, ale funguje i s mojí od Heltecu. Tento program v pravidelných intervalech odesílá zprávy do sítě. Přijaté zprávy pak vypisuje na displej a sériový port.

Program je potřeba před nahráním do zařízení upravit – musíme zadat identifikátor zařízení a svoje klíče, které zjistíme/vygenerujeme v administraci TTN (díky těmto klíčům pak TTN ví, komu které zprávy patří a kam mají směřovat). A kromě toho v mojí verzi knihovny chybělo pár konstant, kvůli kterým program nešel zkompilovat, ale to se týkalo jen ladících výpisů na sériový port, takže jsem to zakomentoval (na funkci by to nemělo mít vliv :-). Změněné řádky:

diff --git a/TTN_TTGOLora32/src/main.cpp b/TTN_TTGOLora32/src/main.cpp
index 7db7a8f..08f0040 100644
--- a/TTN_TTGOLora32/src/main.cpp
+++ b/TTN_TTGOLora32/src/main.cpp
@@ -25,11 +25,11 @@ SSD1306 display (OLED_I2C_ADDR, OLED_SDA, OLED_SCL);
  * TODO: Change the following keys
  * NwkSKey: network session key, AppSKey: application session key, and DevAddr: end-device address
  *************************************/
-static u1_t NWKSKEY[16] = { .... };  // Paste here the key in MSB format
+static u1_t NWKSKEY[16] = { 0xFF, …, 0xFF };  // Paste here the key in MSB format
 
-static u1_t APPSKEY[16] = { .... };  // Paste here the key in MSB format
+static u1_t APPSKEY[16] = { 0xFF, …, 0xFF };  // Paste here the key in MSB format
 
-static u4_t DEVADDR = 0x00000000;   // Put here the device id in hexadecimal form.
+static u4_t DEVADDR = 0xFFFFFFFF;   // Put here the device id in hexadecimal form.
 
 void os_getArtEui (u1_t* buf) { }
 void os_getDevEui (u1_t* buf) { }
@@ -106,18 +106,18 @@ void onEvent (ev_t ev) {
 
 int getChipRevision()
 {
-  return (REG_READ(EFUSE_BLK0_RDATA3_REG) >> (EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_S)&&EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_V) ;
+  return 0; // return (REG_READ(EFUSE_BLK0_RDATA3_REG) >> (EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_S)&&EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_V) ;
 }
 
 void printESPRevision() {
   Serial.print("REG_READ(EFUSE_BLK0_RDATA3_REG) ");
   Serial.println(REG_READ(EFUSE_BLK0_RDATA3_REG), BIN);
 
-  Serial.print("EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_S ");
-  Serial.println(EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_S, BIN);
+  // Serial.print("EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_S ");
+  // Serial.println(EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_S, BIN);
 
-  Serial.print("EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_V ");
-  Serial.println(EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_V, BIN);
+  // Serial.print("EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_V ");
+  // Serial.println(EFUSE_RD_CHIP_VER_RESERVE_V, BIN);
 
   Serial.println();

Po nahrání zkompilovaného programu do modulu příkazem platformio run --target upload už odesíláme zprávy:

A v administraci brány vidíme zvyšující se stav počítadla přijatých zpráv:

Číslo se jednou zvýšilo, i když jsem si s modulem nehrál, takže měl zřejmě cestu kolem jiný uživatel sítě, který použil moji bránu :-)

Integrace a směrování zpráv

V administraci TTN se můžeme podívat na zprávy našeho zařízení (ovšem ne naší brány, protože přes tu prochází i zprávy ostatních uživatelů, které číst nemůžeme). Můj modul posílal zprávu obsahující „Hello World!“ a z administrace jsem do modulu poslal zprávu s textem „ahoj“:

Aby nám tohle všechno k něčemu bylo, je potřeba na záložce Integrations napojit zařízení na nějakou integraci a tím definovat, kam budou zprávy směrované. Pro začátek jsem použil integraci Data Storage – ukládá zprávy do databáze, která je součástí TTN, a nechá je tam dočasně ležet po dobu sedmi dní:

K této databázi můžeme přistupovat přes HTTP OpenAPI:

Kromě ukládání do databáze v TTN můžeme zprávy nasměrovat mj. na naše vlastní HTTP rozhraní nebo některou z podporovaných online služeb.

Se zprávami nemusíme pracovat v surovém tvaru (pole bajtů) a můžeme si je už v TTN namapovat na jednotlivé atributy/objekty – stačí v administraci vyplnit kodér a dekodér v JavaScriptu.

Závěr

Na TTN se mi kromě té základní myšlenky líbí hlavně snadnost použití a uživatelská přívětivost. Připojení brány do sítě bylo až překvapivě jednoduché. Je vidět, že investované prostředky nešly jen na návrh a výrobu hardwaru a že autoři věnovali spoustu úsilí aplikační části a integracím.

Síť úspěšně běží… a co dál? V naší republice je spousta měst a vesnic – ale i polí a lesů – které teprve čekají na pokrytí. Můžete to být právě vy, kdo u vás zprovozní další TTN bránu. Není to náročné ani finančně, ani na technické znalosti. Ideálně to můžete spojit s místním spolkem patřícím do CZF, kde snadno dostanete dobrou konektivitu a výhled do okolí. Osobně bych rád viděl další bránu na jednom z těch vysokých paneláků na Proseku… to pokryje další velký kus Prahy. Ale i brána provozovaná u vás doma na běžném internetovém připojení má smysl. Přenesených dat je málo a nemusíte se bát, že vám to bude zatěžovat linku.

Z globálního hlediska vidím budoucnost ve větší decentralizaci. Přestože je všechno svobodný software a síť je budovaná komunitně, závislost na centrálních serverech není ideální. Moje brána by mohla např. odklánět nebo zrcadlit zprávy z mých zařízení do lokální sítě na můj server. Tím bych byl nezávislý na internetovém připojení a centrálních serverech a i při výpadku by můj systém fungoval autonomně dál. A časem bychom se mohli dopracovat k nějaké samoorganizující se síti s „mesh“ topologií.